先进复合材料大量应用于航空航天领域，相关零件的内部损伤情况对整个航空器的性能有极为重要的影响。激光超声无损检测技术具有高速、远距离和高分辨率的特点，适用于各种大尺寸、复杂曲面先进复合材料零件的无损检测。复合材料所含C-H和C-H2键的谐振频率位于3.4μm，使用这个波长的激光进行激发，有利于提高光声能量转换效率。因此，中红外激光是复合材料内超声场产生的首选激励源。本论文基于磷锗锌(ZnGeP2,ZGP)和硒镓钡(BaGa4Se7,BGSe)晶体，搭建了3.4μm波段中红外激励源，并在理论和实验方面对复合材料内中红外激光激励的超声场进行了研究。
　　建立了复合材料中激光超声热弹性激发模型，分析了激光超声热弹性激发机制的热传导和热应力耦合的物理过程。基于双层结构模型，利用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件，对温度场、应力场和位移场进行了有限元求解，计算出了复合材料中温度场、应力场、位移场的分布情况。最后，通过数值模拟分析激光的波长、能量、光谱宽度以及激光脉宽对超声波激发的影响，讨论了激光超声的阈值以及等效光学穿透深度，理论上给出了激光超声对激励源的参数要求。
　　设计并实现了大能量高重复频率中红外非线性频率转换的2.09μm泵浦源。建立了Ho∶YAG激光器连续和调Q运转的模型。理论计算了晶体的掺杂长度、掺杂浓度、泵浦光半径和输出镜反射率对激光输出特性的影响。理论上，对晶体内部热分布进行了分析，计算出了高功率泵浦下Ho∶YAG晶体的热透镜焦距，并据此设计出了激光器谐振腔的热稳结构。以理论分析为依据，设计了双末端泵浦Ho∶YAG声光调Q激光器。最终，实验上获得了1kHz重复频率下，最大33.5W的2.09μm激光输出，最小脉冲宽度为30ns。其光束质量因子M2=1.2。
　　发展了中红外激光超声激励源。运用光学参量振荡和光学参量放大器的理论，设计了高重复频率、可调谐中红外激光。基于磷化锗锌(ZnGeP2,ZGP)晶体，实现了3.2～3.5μm激光输出，脉冲重复频率1kHz，最大单脉冲能量5.6mJ。基于硒镓钡(BaGe4Se7,BGSe)晶体，设计并实现了直腔单共振3.295μm和3.936μm激光输出，激光峰值半高小于7nm，脉冲重复频率1kHz，最大单脉冲能量1mJ。
　　最后，基于纤维增强型环氧树脂基体复合材料，在3微米波段激光的激励下，实验上同时获得了中心频率为2.5MHz、5MHz、7MHz和10MHz的超声波，实验结果与理论分析符合较好。实验对比研究了1μm、2μm和3μm激光对超声激励的影响；研究分析了激励源光谱特性对超声场的影响。另外，实验研究了3微米波段激光激励下，三种典型高分子聚合物基体材料Epoxy、PEEK和PI中的超声波的产生以及材料的参数对于超声波产生的影响。